光开关技术综述

北京邮电大学  程晓飞 方来付 王健全 顾畹仪

    目前，在光传送网中各种不同交换原理和实现技术的光开关被广泛地提出。不同原理和技术的光开关具有不同的特性，适用于不同的场合。依据不同的光开关原理，光开关可分为：机械光开关、热光开关、电光开关和声光开关。依据光开关的交换介质来分，光开关可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。

    机械式光开关发展已比较成熟，可分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器。传统的机械式光开关介入损耗较低（≤2dB）；隔离度高（>45dB）；不受偏振和波长的影响。其缺陷在于开关时间较长，一般为毫秒量级，有时还存在回跳抖动和重复性较差的问题。另外其体积较大，不易做成大型的光开关矩阵。因此，传统的机械光开关难以适应高速、大容量光传送网发展的需求。而新型的以微机械工艺为基础的微机械光开关既具有传统机械光开关的介入损耗低、隔离度高等优点，同时具有体积小易于集成等优点，成为大容量交换光网络开关发展的主流方向。

    热光、电光、声光效应光开关通过改变交换介质的波导折射率，实现交换目的。

    目前常用的光开关有以下几种：MEMS光开关、喷墨气泡光开关、热光效应光开关、液晶光开关、全息光开关、声光开关、液体光栅光开关、SOA光开关等。随着新技术的发展，将有更多类型的光开关出现。

光开关的主要性能参数

    交换矩阵的大小：光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力。光开关处于网络不同位置，对其交换矩阵大小要求也不同。随着通信业务需求的急剧增长，光开关的交换能力也需要大大提高，如在骨干网上要有超过1000×1000的交换容量。对于大交换容量的光开关，可以通过较多的小光开关叠加而成。

    交换速度：交换速度是衡量光开关性能的重要指标。交换速度有两个重要的量级，当从一个端口到另一个端口的交换时间达到几个ms时，对因故障而重新选择路由的时间已经够了。如对SDH/SONET来说，因故障而重新选路时，50ms的交换时间几乎可以使上层感觉不到。当交换时间到达ns量级时，可以支持光互联网的分组交换。这对于实现光互联网是十分重要的。

    损耗：当光信号通过光开关时，将伴随着能量损耗。依据功率预算设计网络时，光开关及其级联对网络性能的影响很大。损耗和干扰将影响到功率预算。光开关损耗产生的原因主要有两个：光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关自身材料对光信号产生的损耗。一般来说，自由空间交换的光开关的损耗低于波导交换的光开关。如液晶光开关和MEMS光开关的损耗较低，大约1～2db。而铌酸锂和固体光开关的损耗较大，大约4db左右。损耗特性影响到了光开关的级联，限制了光开关的扩容能力。

    交换粒度：不同的光网络业务需求，对交换的需求和光域内使用的交换粒度也有所不同。交换粒度可分为三类：波长交换、波长组交换和光纤交换。交换粒度反映了光开关交换业务的灵活性。这对于考虑网络的各种业务需求、网络保护和恢复具有重要意义。

    无阻塞特性：无阻塞特性是指光开关的任一输入端能在任意时刻将光波输出到任意输出端的特性。大型或级联光开关的阻塞特性更为明显。光开关要求具有严格无阻塞特性。

    升级能力：基于不同原理和技术的光开关，其升级能力也不同。一些技术允许运营商根据需要随时增加光开关的容量。很多开关结构可容易地升级为8×8或32×32，但却不能升级到成百或上千的端口，因此只能用于构建OADM或城域网的OXC，而不适用于骨干网上。

    可靠性：光开关要求具有良好的稳定性和可靠性。在某些极端情况下，光开关可能需要完成几千几万次的频繁动作。有些情况（如保护倒换），光开关倒换的次数可能很少，此时，维持光开关的状态是更主要的因素。如喷墨气泡光开关，如何保持其气泡的状态是需要考虑的问题。

    很多因素会影响光开关的性能，如光开关之间的串扰、隔离度、消光比等都是影响网络性能的重要因素。当光开关进行级联时，这些参数将影响网络性能。光开关要求对速率和业务类型保持透明。

MEMS光开关

    MEMS（micro-electro-mechanical－systems）是由半导体材料，如Si等，构成的微机械结构。它将电、机械和光集成为一块芯片，能透明地传送不同速率、不同协议的业务。MEMS已广泛应用在工业领域。MEMS器件的结构很像IC的结构，它的基本原理就是通过静电的作用使可以活动的微镜面发生转动。从而改变输入光的传播方向。MEMS既有机械光开关的低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成等优点。基于MEMS光开关交换技术的解决方案已广泛应用于骨干网或大型交换网。

典型的MEMS光开关器件可分为二维和三维结构。

    基于镜面的MEMS二维器件由一种受静电控制的二维微小镜面阵列组成，并安装在机械底座上。典型的尺寸是10cm。准直光束和旋转微镜构成多端口光开关。其原理如图1所示。而对于光网络业务的交换和恢复，基于旋转铰接微镜的光开关是一种最好的选择，因为对于这样的应用，光开关不需要经常变换（甚至一个微镜处于一个状态可能一年多也不会发生变化）。而且，亚毫秒的开关时间也能很好地适应于全光网的业务提供和恢复。

    二维MEMS的空间微调旋转镜通过表面微机械制造技术单片集成在硅基底上，准直光通过微镜的适当旋转被接到适当的输出端。微镜的结构和控制如图2所示，微铰链把微镜铰接在硅基底上，微镜两边有两个推杆，推杆一端连接微镜铰接点，另一端连接平移盘铰接点。转换状态通过SDA调节器（Scratch
Drive Actuator）调节平移盘使微镜发生转动，当微镜为水平时，可使光束通过该微镜，当微镜旋转到与硅基底垂直时，它将反射入射到它表面的光束，从而使该光束从该微镜对应的输出端口输出。

    二维MEMS需要N2个微镜来完成N2个自由空间的光交叉连接，其控制电路较简单，由TTL驱动器和电压变换器来提供微镜所需的电压。开关矩阵的规模可以扩展到上千个端口。

    三维MEMS的镜面能向任何方向偏转，这些阵列通常是成对出现，输入光线到达第一个阵列镜面上被反射到第二个阵列的镜面上，然后光线被反射到输出端口。镜面的位置要控制得非常精确，达到百万分之一度。三维MEMS阵列可能是大型交叉连接的正确选择，特别是当波长带同时从一根光纤交换到另一根光纤上。

    三维MEMS主要靠两个N微镜阵列完成两个光纤阵列的光波空间连接，每个微镜都有多个可能的位置。由于MEMS光开关是靠镜面转动来实现交换，所以任何机械摩擦、磨损或震动都可能损坏光开关。

    目前，朗讯公司已研制了1296×1296端口的MEMS。其单端口传送容量为1.6Tb/s（单纤复用40个信道，每路信道传送40Gb/s信号），总传送容量达到2.07Petabit/s。具有严格无阻塞特性，介入损耗为5.1db，串扰（最坏情况）为-38db。使光开关的交换总容量达到新的数量级。OMM公司提出的4×4和8×8光开关，其速率小于10ms。16×16端口的交换时间增加到20ms。其4×4光开关的损耗为3db，而16×16光开关的损耗为7db，16×16设备可重复性达到3dB，而更小的只有0.5db。目前，OMM正在积极开发三维光开关，实现更大的交叉连接。Iolon利用MEMS实现光开关的大量自动化生产。该结构开关时间小于5ms。Xeros基于MEMS微镜技术，设计了能升级到1152×1152的光交叉连接设备，对速率和协议透明，允许高带宽数据流透明交换，无需光电转换。交换时间小于50ms，其微镜的控制精度达到百万分之五度。使用三维两个面对面微镜阵列，功率消耗小于1千瓦。

喷墨气泡光开关

    安捷伦公司采用他们的热喷墨打印和硅平面光波电路两种技术，开发出一种二维光交叉连接系统。安捷伦把这种技术称为“光子交换平台”。其光开关平台包括两部分：下半部是硅衬底的玻璃波导，上半部是硅片。上下之间抽真空密封，内充特定的折射率匹配液，每一个小沟道都对应一个微型电阻，通过电阻加热匹配液形成气泡，对通过的光产生全反射。电信号的加入在下半部引入。在芯片与光纤的耦合上采用带状光缆通过硅V型槽BUTT
END接触解决。当有入射光照入并需要交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个小泡，小泡将光从入射波导中的光信号全反射至输出波导。HP的喷墨打印技术的引入主要反映在对气泡（微电阻）产生的精密控制上。喷墨打印要在指定的地方产生墨点，这里要在指定的地方产生气泡。但气泡光开关同喷墨技术又不相同，气泡也许要维持很长一段时间。安捷伦称气泡由封闭的系统控制，因此不会溢出，通过控制蒸气压，保持液、气体能共存的温度和压力。喷墨气泡光开关交换速度为10ms。由于没有可移动部分，可靠性较好。32×32子系统损耗为4.5db，由于使用已有的技术，故其成本不高。同时具有较好的扩展性。

    安捷伦喷墨气泡光开关具有毫秒的交换速度，具有偏振不敏感性，因此具有小的极化损耗，能对速率和业务协议透明。具有低损耗、低串扰和小于-50db的高消光比。

    喷墨气泡光开关有两个重要因素要考虑：（1）如何很好地控制光开关的状态，如光开关频繁动作或长期维持气泡状态。（2）喷墨气泡光开关封装后，其内部材料和液体的生存时间问题（如典型的20年）。

液晶光开关

    液晶光开关的工作状态基于对偏振的控制：一路偏振光被反射，而另一路可以通过。典型的液晶器件将包括无源和有源两部分。无源部分，如分路器将入射光分为两路偏振光。根据是否使用电压，有源部分或者改变入射光的偏振态或者不加改变。由于电光效应，在液晶上施加电压将改变非常光的折射率，从而改变非常光的偏振状态，本来平行光经过在液晶中的传输会变成垂直光。液晶的电光系数很高，是铌酸锂的几百万倍，使液晶成为最有效的光电材料。电控液晶光开关的交换速度可达亚微秒级，未来将可以达到纳秒级。

    Spectraswitch公司的WaveWalker产品是一个固态产品，其1×2和2×2介入损耗小于1db，极化损耗为0.2db，交换时间为4ms左右，交换波长的范围为C波段。液晶光开关没有移动部分，所以提高了系统的稳定性。Chorumtech公司的PolarShift液晶光开关能达到毫秒量级的交换速度，具有高消光比、低介入和极化损耗、低串扰等特点。Corning公司也正投资于液晶光开关产品的开发。

热光效应开关

    热光技术一般用于制作小型光开关。典型的如1×1、1×2、2×2等，更大的光开关可由1×2光开关元件在同一晶片上集成。

热光开关主要有两种基本类型：数字型光开关（DOS：Digital optical switches）和干涉型光开关(Interferometric
switches)。干涉型光开关具有结构紧凑的优点，缺点是对波长敏感。因此，通常需要进行温度控制。它们都是在介质材料，如玻璃或硅基片上，先做上波导结构，然后，在波导上蒸镀金属薄膜加热器，金属薄膜通电发热，导致其下面的波导的折射率发生变化，从而实现光的开关动作。

数字型光开关

    当加热器温度加热到一定温度，开关将保持固定状态。最简单的设备 1×2光开关，称为Y型分支热光开关。当对Y型的一个臂加热时，它改变折射率，阻断了光线通过此臂。DOS可由硅或聚合物制造。后者比前者具有更低的功耗和更高的光损耗。

    在硅基底或SiO2基底上生成矩形波导，微加热器由Ti或Cr在波导分支表面沉积而成，金属层一般采用光刻法或湿式化学刻蚀，为减小在水平方向的热传播，电极旁的SiO2层非常薄。当其中一个分支上的加热器通电时，在该加热器下面的波导的折射率减小，相应的，光功率被转向另一分支，即处于开的状态。同时，在有源加热器的分支则处于关的状态。波导材料在开始阶段经常采用Si或SiO2，而现在人们则把更多的研究转向了聚合物波导，这主要是由于聚合物的导热率很低，而热光系数却很高。介入损耗一般为3-4dB，消光比为20dB左右。

干涉仪型光开关

    干涉仪型光开关主要指M-Z干涉仪型。主导思想是利用光相位特性。输入光被分为两束，通过两个分开的波导，再合并。其中一个波导被加热改变其光程。当两条路径长度相同时，光通过其中一个出口，当长度不同时，光线通过另一个出口。由于Si的导热系数较大，加热器的距离至少要100微米，这样才不会影响到相邻的开关。MZI型光开关结构如图8所示。它包括一个MZI和两个3dB耦合器，两个波导臂具有相同的长度，在MZI的干涉臂上，镀上金属薄膜加热器形成相位延时器，波导一般生成在硅基底上，硅基底还可看作一个散热器。波导上的热量通过它来散发出去。当加热器未加热时，输入信号经过两个3dB耦合器在交叉输出端口发生相干相长而输出，在直通的输出端口发生相干相消，如果加热器开始工作而使光信号发生了大小为π的相移，则输入信号将在直通端口发生相干相长而输出，而在交叉端口发生干涉相消。从而通过控制加热器可实现开关的动作。

    以1×2和2×2光开关单元为基础，其它4×4、8×8、16×16等光开关矩阵可通过这两种光开关单元集成而得到。光开关矩阵的集成，有多种组网方式，其中，CLOS多级网络是最常用的一种，对N×N的开关矩阵，需要2N－1级的开关单元级联而成。如8×8的矩阵开关，一般都采用15级开关单元结构，其中，48个周边光开关用作衰减平衡器，始终处于交叉状态，而中间组成菱形的64个光开关构成8×8光开关的核心，每一级的光开关单元数目分别为7和8个交叉排列。从而构成严格无阻塞的8×8光开关矩阵，NTT公司最近采用双MZI串联的开关单元代替传统的单MZI型开关单元,仅用8级开关单元就构成了严格无阻塞的8×8开关矩阵，图9即为NTT公司制造的8×8光开关结构图。它有效地减小了波导长度，降低了开关损耗，提高了消光比，降低了串扰水平。工作带宽覆盖了整个EDFA增益谱。

    NTT公司16×16热光开关已经商用，它是在一个Si晶片上集成500个以上的开关元件，其交换速度依赖于对材料的加热时间。聚合物光开关交换时间大约是几个毫秒，Si材料光开关通常更慢，大约6-8ms。Lynxpn公司的8×8光开关是由128个1×2热光开关构成的，具有严格无阻塞特性，能支持广播功能，交换时间小于2ms，极化损耗小于0.4db，介入损耗小于1db。由于热光开关的操作是通过重复加热和冷却波导进行，因此这将减少光开关的寿命。Si材料光开关具有非常低的损耗，聚合物损耗更高。聚合物光开关需要较低的功率，典型的是5个微瓦，Si开关将是聚合物的100倍。

全息光开关

    全息光开关是利用激光的全息技术，将光纤光栅全息图写入KLTN晶体内部，利用光纤光栅选定波长的光开关。电激发的光纤布拉格光栅的全息图被写入到KLTN晶体内部后，当不加电压时，晶体是全透明的，此时光线直通晶体。当有电压时，光纤光栅的全息图产生，其对特定波长光反射，将光反射到输出端。晶体的行和列对光进行选路。KLTN晶体尺寸大约为2×2×1.5毫米，组成一个矩阵，构成光开关的核心。行对应于不同的光纤，列同交换的波长有关。全息图对照明不敏感，所以通常不会擦除存储的全息图。但光全息图能被擦除并重新写入。同时，多个全息光栅能高效地存储到同一晶体内部。它具有低损耗特性。交换速度达到纳秒量级，全息光开关可以在线动态监测每一路波长，因为当全息光栅被激活时，大约有95％被反射，剩余5％直通。这5％的信号可以用来监测，这对于网络管理具有很重要的意义。

    利用这种技术可以很容易地组成上千个端口的光交换系统。并且它的开关速度非常快，只需几纳秒就可以把一个波长交换到另一个波长。由于没有可移动部件，它的可靠性较高。掌握这种技术的TrellisPhotonics公司声称，240×240端口的交换系统的介入损耗低于4dB，端到端的重复性也比较好，但是它的功耗比较大（240×240功耗小于300瓦），并且需要高压供电。这种技术可以跟三维MEMS技术竞争，但它更适合于单个波长的交换。纳秒量级的交换速度可以用在未来的基于分组交换的光路由器中。

液体光栅开关

    液体光栅开关是一种液晶和电全息开关技术的结合体。它基于电交换光栅（ESBG）技术。通过控制电压，使布拉格光栅产生和消失。将液晶微滴悬浮于聚合体内，同时将它放置在Si波导上，当不加电压时，布拉格光栅工作并使特定的波长偏转从波导上端输出。当加上电压时，布拉格光栅消失，光线直通波导。这样液体光栅完成选出特定波长并交换的功能。液体光栅开关的交换时间大约100微秒，比热光开关的交换时间快10倍，比气泡光开关或MEMS的交换时间快100倍。同样因没有移动部件，可靠性高、损耗低。DigiLens声称液体光栅开关的光损耗小于1db。其典型功耗大约50毫瓦左右。它对于波长交换具有灵活性，因为它能从波长群中选择需要的波长，可作为OADM核心。但其对于多波长群交换或光纤级交换就远不如MEMS了。

声光开关

    在这种开关中，声波用来控制光线的偏转。交换速度从500ns到10祍。由于没有移动部分，可靠性较高。1×2光开关损耗低于2.5db。LMGR公司声称其光纤线性声光开关没有机械部分，使用电和计算机控制声光偏转装置，能在几个微秒内将输入信号送到输出端，转向器可以任意转向。Brimrose公司也开发自己的声光开关，其1×2光开关的交换速度是525ns，相对损耗为2.5db。

半导体光放大器开关

    半导体光放大器开关利用SOA的放大特性，实现特定波长的交换。图11是由4个SOA阵列通过波导互联构成的2×2光开关。在关断状态，SOA是不透明的，即输入光被SOA吸收。在开启状态，光线允许通过SOA，同时被放大。通过调节SOA放大波长，输入端信号能到达任意输出端。此种光开关具有广播功能，通过调节SOA，输入信号能被广播到所有输出端，同时SOA提供的增益补偿了光开关的损耗。2×2光开关插入损耗为0db（典型光纤增益为12db）,
交换时间1ns左右，极化不敏感。

应用及前景分析

    光开关在光网络中起到十分重要的作用，它不仅构成了波分复用光网络中关键设备（如OADM/OXC）的交换核心，本身也是光网络中的关键器件。其应用范围主要有：

    保护倒换功能：光开关通常用于网络的故障恢复。当光纤断裂或其他传输故障发生时，利用光开关实现信号迂回路由，从主路由切换到备用路由上。这种保护通常只需要最简单的1×2光开关。

    网络监视功能：使用简单的1×N光开关可以将多纤联系起来。当需要监视网络时，只需在远端监测点将多纤经光开关连接到网络监视仪器上（如OTDR），通过光开关的动作，可以实现网络在线监测。

    光器件的测试：可以将多个待测光器件通过光纤连接，通过1×N光开关，可以通过监测光开关的每个通道信号来测试器件。

    构建OADM设备核心：OADM是光网络关键设备之一，通常用于城域网和骨干网。实现OADM光信号上下路的具体方式很多，但大多数情况下都应用了光开关，主要是2×2光开关，来实现对密集波分复用光网络中光信号的上下路功能。由于光开关的使用，使OADM能动态配置业务，增强了OADM节点的灵活性，同时，使得OADM节点能支持保护倒换，当网络出现故障时，节点将故障业务切换到备用路由中，增强了网络的生存能力和网络的保护和恢复能力。

    构建OXC设备的交换核心：OXC主要应用于骨干网，对不同子网的业务进行汇聚和交换。因此，需要对不同端口的业务交换，同时，光开关的使用使OXC具有动态配置交换业务和支持保护倒换功能，在光层支持波长路由的配置和动态选路。由于OXC主要用于高速大容量密集波分复用光骨干网上，要求光开关具有透明性、高速、大容量和多粒度交换的特点。

随着光传送网技术的发展，新型的光开关技术不断出现。同时，原有的光开关技术性能不断地改进。随着光传送网向超高速、超大容量的方向发展，网络的生存能力、网络的保护倒换和恢复问题成为网络关键问题，而光开关在光层的保护倒换对业务的保护和恢复起到了更为重要的作用。未来的光传送网是能支持多业务的透明光传送平台，要求对各种速率业务能透明传送；同时，随着业务需求的急剧增长，骨干网业务交换容量也急剧增长。因此，光开关的交换矩阵的大小也要不断提高。同时由于IP业务的急剧增长，要求未来的光传送网能支持光分组交换业务，未来的核心路由器能在光层交换。这样，对光开关的交换速度提出更高的要求（纳秒数量级）。总之，大容量、高速交换、透明、低损耗的光开关将在光网络发展中起到更为重要的作用。

作者E-mail：ch_xf@263.net